Görelilik

Görelilik

Albert Einstein hiç şüphesiz zamanımızın en büyük dahilerinden biriydi.
Yirmi birinci ve otuz sekizinci doğum günleri arasında, bilimde birçok
düzeyde büyük yankılar uyandıran bir devrimi tamamladı. İki büyük
buluşu, Özel Görelilik Teorisi (1905) ve Genel Görelilik Teorisi (1915)
idi. Özel görelilik yüksek hızlarla ilgilidir, genel görelilik ise
kütleçekimle.

Einstein’ın teorileri, son derece soyut karakterde olmalarına karşın,
nihayetinde deneylerden türetilmişti ve başarılı pratik uygulamalara
yol açmıştı, ki bu uygulamalar onun görüşlerinin doğruluğunu defalarca
onayladılar. Einstein, 19. yüzyıl fiziğinde içsel bir çelişkiyi açığa
vuran ünlü Michelson-Morley deneyinden, “bilim tarihinin en büyük
negatif deneyinden” (Bernal) yola çıkmıştı. Bu deneye, ışığın görülen
hızının, hareketsiz olduğu varsayılan “eter” içerisinde hareket eden
gözlemcinin hızına bağlı olduğunu göstererek elektromanyetik ışık
teorisini genelleştirmek üzere girişilmişti. Sonunda, gözlemci hangi
doğrultuda hareket ederse etsin, ışığın ölçülen hızlarında hiçbir
farklılık bulunamadı.

J. J. Thomson daha sonraları, güçlü elektriksel alanlar içinde hareket
eden elektronların hızlarının, klasik Newton fiziğinin öngördüğünden
daha yavaş olduğunu gösterdi. 19. yüzyıl fiziğindeki bu çelişkiler özel
görelilik teorisi tarafından çözüme bağlandı. Eski fizik, radyoaktivite
olgusunu açıklamaktan acizdi. Einstein bunu, “eylemsiz” maddenin içine
hapsolmuş muazzam miktardaki enerjinin küçük bir kısmının açığa çıkması
olarak açıkladı.

Einstein 1905’te İsviçre patent bürosunda bir sekreter olarak
çalışırken boş zamanlarında kendi özel görelilik teorisini geliştirdi.
Yeni kuantum mekaniğinin keşiflerinden yola çıkarak, ışığın uzayda bir
kuantum biçiminde (enerji paketleri olarak) hareket ettiğini gösterdi.
Bu yaklaşım, daha önceleri kabul edilmiş ışığın dalga teorisiyle açıkça
çelişikti. Aslında Einstein eski ışığın parçacık teorisini bütünüyle
farklı bir tarzda yeniden canlandırmıştı. Burada ışık, çelişik bir
karaktere sahip, aynı anda hem parçacık hem de bir dalga özelliği
gösteren yeni tip bir parçacık olarak görülüyordu. Bu şaşırtıcı teori,
spektroskoplar kadar Maxwell denklemlerini de kapsayacak şekilde 19.
yüzyıl optiğinin tüm büyük keşiflerinin muhafaza edilmesini mümkün
kıldı. Fakat ışığın uzayda hareket edebilmek için, kendine has bir
vasıtaya, “eter”e ihtiyaç duyduğu şeklindeki kalıplaşmış eski düşünceyi
de yok etti.

Özel görelilik, ışığın boşluktaki hızının, ışık kaynağının gözlemciye
göre hızı ne olursa olsun, her zaman aynı sabit değerde ölçüleceği
kabulünden hareket eder. Bundan, ışığın hızının evrendeki her şey için
sınırlayıcı bir hızı temsil ettiği sonucu çıkarılır. Dahası, özel
görelilik, enerji ve kütlenin aslında eşanlamlı olduklarını ifade eder.
Bu, diyalektik materyalizmin temel felsefi postülasının –madde ve
enerjinin birbirinden koparılamaz niteliğinin, hareketin (“enerji”)
maddenin varoluş tarzı olduğu düşüncesinin– çarpıcı bir doğrulanışıdır.

Einstein’ın kütle ve enerjinin eşdeğerliliği yasasını keşfi, onun ünlü
E = mc2 denkleminde ifade edilir, bu denklem atomda hapsolmuş muazzam
enerjiyi dile getirir. Evrendeki yoğunlaşmış tüm enerjinin kaynağı
budur. Bu denklemde, E enerjiyi (erg olarak), m kütleyi (gram olarak)
ve c de ışığın hızını (santimetre/saniye olarak) temsil eder. c2 nin
gerçek değeri 900 milyar kere milyardır. Yani bir gram maddede hapsolan
enerjinin açığa çıkması, hayrete düşürücü bir büyüklük olan 900 milyar
kere milyar erglik bir enerji üretecektir. Bunun ne anlama geldiğine
dair somut bir örnek verelim; bir gram maddede içerilen enerji, 2000
ton petrolün yakılmasıyla üretilen enerjiye eşittir.

Kütle ve enerji, tıpkı Amerikan dolarının Alman markıyla
değiştirilebilir oluşu gibi, yalnızca “birbiriyle değiştirilebilir”
olmakla kalmaz, bir ve aynı özdürler; Einstein bunu “kütle-enerji”
olarak karakterize etmiştir. Bu düşünce, çok daha derine iner ve
örneğin sürtünmenin ısıya dönüştüğünü söyleyen eski mekanik kavrayıştan
çok daha kesindir. Madde “donmuş” enerjinin özgün bir biçimidir,
enerjinin diğer tüm biçimleriyse (ışık da dahil) kendileriyle ilişkili
bir kütleye sahiptirler. Bu nedenle, madde enerjiye dönüştüğünde
maddenin “yok olduğunu” söylemek tamamen yanlıştır.

Einstein’ın yasası, Lavoisier tarafından geliştirilen ve kütle olarak
kavranan maddenin ne yaratılabileceğini ne de yok edilebileceğini
söyleyen eski kütlenin korunumu yasasının yerine geçti. Aslında
dışarıya enerji veren her kimyasal reaksiyon küçük bir kütle miktarını
enerjiye çevirir. Kömürün yanması gibi, 19. yüzyılda bilinen kimyasal
reaksiyon türlerinde bu kayıp ölçülemezdi. Ama nükleer reaksiyon
ölçülebilir bir kütle kaybını açığa vurmaya yeterli bir enerji salar.
Tüm maddeler, “durgun” haldeyken bile, hayrete düşürücü miktarda bir
enerji içerirler. Ne var ki, gözlenemez olduğundan, bu gerçek Einstein
onu izah açıklayana kadar anlaşılmamıştı.

Einstein’ın teorisi materyalizmi yıkmak şöyle dursun onu çok daha
sağlam bir temelde inşa eder. Eski mekanik “kütlenin korunumu”
yasasının yerine çok daha bilimsel ve çok daha genel bir
kütle-enerjinin korunumu yasasına sahibiz, ki bu da termodinamiğin
birinci yasasını evrensel ve çürütülemez bir biçimde dile getirir.
Kütle hiçbir şekilde “yok olmaz”, sadece enerjiye dönüşür. Toplam
kütle-enerji sabit kalır. Tek bir madde parçacığı bile yaratılamaz ya
da yok edilemez. İkinci görüş, ışık hızının kendine özgü sınırlayıcı
karakteridir: Hiçbir parçacık ışıktan daha hızlı hareket edemez, çünkü
bu kritik hıza yaklaştıkça cismin kütlesi artarak sonsuz büyüklüğe
yaklaşır ve böylece daha da hızlanması çok daha güçleşir. Bu düşünceler
soyut ve kavranılması güç düşünceler gibi görünür. “Sağduyunun sesinin”
kabullerine meydan okurlar. “Sağduyu” ile bilim arasındaki ilişki
Sovyet bilimci Profesör L. D. Landau tarafından şu satırlarda
özetleniyor:

Sağduyu denilen şey, gündelik hayatımızda şekillenen alışkanlıkların ve
kavramların basit bir genellenişinden başka bir şey değildir. Belli bir
deneysellik düzeyini yansıtan belli bir anlama düzeyidir.

Ve şunu ekler:

Bilim sağduyu denen şey ile çatışmaktan korkmaz. Korkutucu olan şey,
mevcut düşünceler ile yeni deneysel gerçekler arasındaki uyuşmazlıktır,
ve eğer böyle uyuşmazlıklar vuku bulursa, bilim acımasızca daha
önceleri inşa ettiği düşünceleri yerle bir eder ve bilgimizi daha üst
bir düzeye yükseltir.[7]

Hareket eden bir nesne kendi kütlesini nasıl arttırır? Böyle bir fikir
gündelik deneyimimizle çelişir. Dönen bir topaç, bu durumdayken,
görünüşte bir kütle kazanmamıştır. Oysa aslında kazanmıştır, ancak
kütledeki artış miktarı o denli sonsuz küçüktür ki, her türlü pratik
amaç bakımından hesaba katılmayabilir. Özel göreliliğin etkileri
güdenlik olgular düzeyinde gözlenemez. Ne var ki, uç koşullarda, meselâ
ışık hızına yakın çok yüksek hızlarda, görelilik etkileri rol oynamaya
başlarlar.

Einstein, çok yüksek hızlarda hareket eden bir cismin kütlesinin
artacağını öngörmüştü. Bu yasa, normal hızlarla ilgilenirken gözardı
edilebilir. Yine de, atomaltı parçacıklar saniyede yaklaşık 10.000 mil
ya da daha büyük hızlarla hareket ederler ki, böylesi hızlarda
görelilik etkileri ortaya çıkar. Kuantum mekaniğinin keşifleri, özel
görelilik teorisinin yalnızca nitel olarak değil nicel olarak da
doğruluğunu göstermiştir. Bir elektron, ışık hızının 9/10’uyla hareket
ettiğinde kütle kazanır, dahası kütle kazancı tam da Einstein’ın
teorisinin öngördüğü gibi 31/6 kattır. O zamandan bu yana özel
görelilik defalarca sınanmış ve hepsinde de doğru sonuçlar vermiştir.
Güçlü bir parçacık hızlandırıcısından (akseleratör) çıkan elektronlar,
hızlandırıcıya giren elektronlardan yaklaşık 40.000 kat ağırdır ve
aradaki kütle farkı hareketin enerjisini ifade etmektedir.

Çok daha yüksek hızlarda, kütledeki artış, fark edilir bir hale gelir.
Ve modern fizik tam da, atomaltı parçacıkların ışık hızına yaklaşan
hızları gibi son derece yüksek hızlarla ilgilidir. Burada, gündelik
olguları lâyıkıyla betimleyen klasik mekanik yasaları artık
uygulanamazlar. Sağduyuya göre, bir cismin kütlesi asla değişmez. Bu
nedenle dönen bir topaç, duran bir topaç ile aynı kütlededir. Hız ne
olursa olsun kütlenin sabit olduğunu ifade eden bir yasa da bu noktadan
hareketle dile getirilmişti.

Daha sonraları bu yasanın yanlış olduğu görüldü. Anlaşıldı ki, kütle
hızla birlikte artar. Yine de bu artış ancak ışık hızına yakın hızlarda
fark edilebilir olduğundan, kütleyi sabit alırız. Gerçek yasa şöyle
olabilir: “Eğer bir cisim saniyede 100 milden daha düşük bir hızla
hareket ediyorsa, kütlesi milyonda birlik bir çerçevede değişmezdir.”
Gündelik amaçlarımız açısından, kütlenin, hızdan bağımsız olarak sabit
olduğunu kabul edebiliriz. Ancak yüksek hızlarda bu yanlıştır ve hız
arttıkça, bu iddia daha da yanlış olur. Biçimsel mantığa dayalı düşünme
gibi, bu da pratik amaçlar bakımından geçerli kabul edilir. Feynman
şuna işaret ediyor:

Felsefi olarak, yaklaşıklık yasasında tümüyle hatalıyız. Kütle bir
kırıntı kadar dahi değişmiş olsa, tüm evren tablomuzu değiştirmek
zorundayız. Bu durum, yasaların ardındaki düşüncelere ya da felsefeye
ilişkin çok özel bir şeydir. Çok küçük bir etki bile bazen
düşüncelerimizde esaslı değişiklileri gerekli kılar.[8]

Özel göreliliğin öngörülerinin, gözlenen olgulara denk düştüğü
kanıtlanmıştır. Bilimciler, gama ışınlarının ışık enerjisini maddeye
dönüştürerek atomik parçacıklar üretebildiğini deneylerle keşfettiler.
Einstein’ın öngördüğü gibi, durgun-enerjisine bağlı olarak bir
parçacığı oluşturmak için gereken asgari enerjiyi de buldular. İşin
aslı, bir değil iki parçacık üretiliyordu: Bir parçacık ve onun karşıtı
olan “anti-parçacık”. Gama ışını deneylerinde, bir elektron ve bir
anti-elektron (pozitron) elde ederiz. Ters süreç de gerçekleşir: Bir
pozitron bir elektronla karşılaştığında, gama ışını üreterek
birbirlerini yok ederler. Böylece, enerji maddeye dönüşür, madde de
enerjiye. Einstein’ın keşfi, evrenin işleyişini çok daha esaslı bir
şekilde kavramamızın temelini döşemiştir. Yüzyıllar boyunca bir gizem
olarak kalan Güneş enerjisinin kaynağının açıklanmasını sağlamıştır.
Maddenin kendisinin muazzam bir enerji deposu olduğu anlaşılmıştır.
Maddede hapsedilen enerjinin dehşet verici gücü, Ağustos 1945’te
Hiroşima ve Nagazaki’de tüm dünyanın gözleri önüne serildi. Tüm bunlar
aldatıcı basitlikteki E = mc2 formülünde saklıydı.